EP1321535A2 - Wekstoff mit hoher ballistischer Schutzwirkung - Google Patents

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EP1321535A2
EP1321535A2 EP02450278A EP02450278A EP1321535A2 EP 1321535 A2 EP1321535 A2 EP 1321535A2 EP 02450278 A EP02450278 A EP 02450278A EP 02450278 A EP02450278 A EP 02450278A EP 1321535 A2 EP1321535 A2 EP 1321535A2
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EP
European Patent Office
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alloy
carbon
molybdenum
high ballistic
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EP1321535A3 (de
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Horst Saiger
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Voestalpine Boehler Bleche GmbH
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    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0442—Layered armour containing metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/24—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with vanadium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten

Definitions

  • the invention relates to the use of steel alloys known per se as Material for products with high ballistic protection.
  • a ballistic protective effect of objects is generally characterized by its security against a breakthrough of projectiles and splinters at high energy Weapon impact, with increasing protection and at the same time a reduced weight of the object or part with improved Economics of deployment are required.
  • EP-A-180805 discloses a steel helmet made from a low alloyed boron steel, the steel helmet being sandblasted after tempering.
  • an armored sheet with a tempering structure which has a yield strength of> 1100 N / mm 2 and a hardness of> 400 HB and with a carbon content in% by weight of 0.15 to 0.2 im Essentially 1 to 2 wt% chromium (Cr), 0.2 to 0.7 wt% molybdenum (Mo), 1.0 to 2.5 wt% nickel (Ni), 0.05 to 0 , 25 wt .-% vanadium (V), balance iron (Fe).
  • EP-A-580062 A process for the production of thick armor plates is known from EP-A-580062 became known in which the above, increased in carbon and nickel content Alloy in slab form initially heated to a temperature of over 1150 ° C, Allow to cool increasingly and in the range from 1050 to 900 ° C with high temperatures Degree of deformation is rolled to the final thickness.
  • EP-B-731332 is a steel armor plate with improved penetration resistance to projectiles, which contain a large number of inclusions, which Oriented essentially parallel to the plate surface and in a quarter up to three Quarter of the plate thickness are concentrated.
  • Between the Base material and the pad is an intermediate layer made of pure nickel or Pure iron with a thickness between 0.1 and 15% of the total sheet thickness arranged by roll cladding with the base material and the support connected is.
  • the liner not only facilitates plating the Base material, but also prevents the support material from flaking off, which can be tempered to a hardness of 55 to 60 HRC, but is therefore evident has low toughness.
  • the invention wants to create downhill and has the goal of materials indicate from which products with a high ballistic protective effect low weight, can be produced economically in a simple manner.
  • This Products or parts are said to have a high bullet or flight part breaking effect possess, consist of an iron-based alloy, through a heat treatment adjustable toughness and strength properties have, with both characteristics maximized.
  • Materials Technical a composite production or a multi-layer part production and a Surface hardening is possible and there is weldability.
  • C Carbon
  • Si Silicon
  • Mo Manganese
  • Mo Molybdenum
  • V Vanadium
  • the technology of manufacturing also relies on a ballistic Protective effect from parts made from it.
  • the manufacturing technology Measures as set out in claim 3 can be individually and in Combination improving the ballistic protection through parts manufactured in this way affect, because it promotes in particular the isotropy of the material. Remuneration can lead to higher strength values with improved Material toughness take place, whereby the product is significantly increased Resists projectile breakdown.
  • Fig. 1 shows the percentage of shots held Depends on the sheet thickness.
  • a sheet made of Cr-Mo-V steel, which was treated by ladle metallurgy and was vacuum-degassed, with a composition in% by weight of 0.45 carbon (C), 0.62 silicon (Si), 0.64 manganese (Mn) , 0.016 phosphorus (P), 0.007 sulfur (S), 3.35 chromium (Cr), 1.62 molybdenum (Mo), 0.32 vanadium (V) was rolled from a slab to a thickness of 7.5 mm. Samples were made from the sheet, the same was tempered and tested with different technologies. Table 1 shows the remuneration parameters and the mechanical values achieved. Sample No. Härtetemp.
  • Shot test from the sheet metal according to the invention held by about 60% more shots.
  • Fig. 1 the percentage of shots held is dependent on the Sheet thickness shown. From a sheet thickness of 6 mm upwards it is the same energetic conditions of shelling the percentage of shots held from an inventive and one from a martensitic steel manufactured sheet metal practically the same. With regard to economy, it must be determined that that the material according to the invention has an alloy content of approx. 6%, that of the martensitic steel (comparison material) has 41.5% and thus has significantly higher costs.
  • the alloy one or more elements of which have (have) the concentration (s) in% by weight: Carbon (C) 0.3 to 0.54, preferably 0.41 to 0.49 Silicon (Si) 0.11 to 0.39 Manganese (Mn) 0.18 to 0.49, preferably 0.25 to 0.38 Chrome (Cr) 1.15 to 1.4 Nickel (Ni) 2.9 to 4.9, preferably 2.56 to 3.9
  • Manganese (Mn) 0.18 to 0.49 preferably 0.25 to 0.38 Chrome (Cr) 1.15 to 1.4 Nickel (Ni) 2.9 to 4.9, preferably 2.56 to 3.9
  • Cr Chrome
  • Ni Nickel
  • the advantageous material properties achieved according to the invention are increasingly pronounced in the case of bombardment if the parts are tempered to higher strength values of over 1900 N / mm 2 . This is also due to the fact that a narrower range of the concentration of a respective alloy element in interaction with the other constituents of the alloy has a favorable influence on the conversion and the formation of the structure of the material in the thermal treatment, whereby the hardness acceptance and the tempering behavior are improved and such extensive isotropy with low residual stresses.
  • a sheet made of ladle-treated steel with a composition in% by weight of 0.52 carbon (C), 0.12 silicon (Si), 0.22 manganese (Mn), 0.014 phosphorus (P), 0.003 sulfur ( S), 1.42 chromium (Cr), 0.11 molybdenum (Mo), 0.09 tungsten (W), 0.004 (As + Sb + Bi + Sn + Zn + B), which was then remelted electroslag, with a thickness of 7.5 mm and tempered to a hardness of 57 HRC, at a hardness temperature of 880 ° C and air cooling after tempering at 200 ° C, the material had a yield strength of Rm 2265 N / mm 2 with a notched bar impact work of on average 202 J. In the shelling test compared to tempered carbon steel under otherwise identical conditions, a 68.7% higher number of shots was recorded.

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Abstract

Die Erfindung befasst sich mit der Verwendung einer Stahllegierung als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung. Um eine hohe ballistische Schutzwirkung und eine wesentlich verbesserte Wirtschaftlichkeit bei einer Bereitstellung von dafür vorgesehenen Erzeugnissen zu erreichen, ist erfindungsgemäß für diese eine Verwendung einer Legierung enthaltend in Gew.-%: Kohlenstoff (C), 0,3 bis 0,6; Silizium (Si), 0,08 bis 0,59; Mangan (Mn), 0,1 bis 0,6; Chrom (Cr), 0,9 bis 1,5; Nickel (Ni), 2,4 bis 5,5 Eisen (Fe) sowie Verunreinigungen als Rest, mit der legierungstechnischen Maßnahme, dass der Wert für den Gehalt an Phosphor (P) plus Schwefel (S) weniger als 0,025 beträgt, die Konzentration von Molybdän (Mo) unter 0,34 und jene von Wolfram (W) unter 0,29 liegen, wobei der Summenwert von Molybdän (Mo) plus Wolfram (W) gebrochen durch zwei 0,38 nicht übersteigt und die Summe der korngrenzenwirksamen Verunreinigungselemente Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), Zinn (Sn), Zink (Zn) und Bor (B) kleiner ist als 0,011 als Werkstoff vorgesehen. Weiters ist gemäß der Erfindung eine per se bekannte Legierung enthaltend in Gew.-%: Kohlenstoff (C), 0,26 bis 0,79; Silizium ( Si), 0,2 bis 1,2; Mangan (Mn), 0,2 bis 0,9; Chrom (Cr), 1,1 bis 7,94; Molybdän (Mo), 0,56 bis 3,49; Vanadin (V), 0,26 bis 1,74 Eisen (Fe) sowie Begleitelemente und Verunreinigungen als Rest, mit der legierungstechnischen Maßgabe, dass der Wert für den Gehalt an Phosphor (P) plus Schwefel (S) weniger als 0,025 beträgt, die Konzentration von Nickel (Ni) unter 0,28 liegt und die Summe der korngrenzenwirksamen Verunreinigungselemente Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), Zinn (Sn), Zink (Zn) und Bor (B) kleiner ist als 0,011, als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung verwendbar ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von per se bekannten Stahllegierungen als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung.
Eine ballistische Schutzwirkung von Gegenständen, insbesondere von solchen aus flächigem Material, ist im Allgemeinen gekennzeichnet durch deren Sicherheit gegen einen Durchschlag von Projektilen und von Splittern bei energiereicher Waffeneinwirkung, wobei in steigendem Maße eine hohe Schutzwirkung und gleichzeitig ein verringertes Gewicht des Gegenstandes oder Teiles bei verbesserter Wirtschaftlichkeit der Bereitstellung gefordert sind.
Es soll eingangs die anerkannte Fachmeinung festgehalten werden, dass die üblichen mechanischen Messdaten aus einem Zug- und Kerbschlagversuch keine direkte Folgerung in Bezug auf die Eigenschaften eines Werkstoffes bei ballistischer Beanspruchung zulassen. Vielfach werden dennoch die Härte, die Schlagzähigkeit und die Festigkeit des Materials dafür herangezogen, um wenigstens einen Anhalt für einen Eindringwiderstand eines Schutzteiles zu erstellen. Letztendlich kennzeichnen jedoch die "gehaltenden Schüsse" eines Blechteiles dessen ballistische Schutzwirkung.
Wird nun näherungsweise angesetzt, dass sich die Festigkeit, Härte und Zähigkeit nicht mit der Geschwindigkeit der Beanspruchung ändern, so kann davon ausgegangen werden, dass der Werkstoff der Schutzteile sowohl höchste Härte als auch größte Zähigkeit aufweisen muss, um einer Zerstörung bei ballistischer Beaufschlagung standzuhalten und eine brechende Wirkung auf Projektile auszuüben. Nun sind für Stähle und Legierungen diese Eigenschaften im Hinblick auf deren gleichzeitige Maximierung entgegengerichtet, so dass neben einer allgemeinen Verbesserung derselben eine Ausgewogenheit von Zähigkeit und Festigkeit des Materials, insbesondere nach einer thermischen Vergütung beanspruchungsgemäß gefordert ist.
Je nach gewünschtem Eigenschaftsprofil wurden für Erzeugnisse mit ballistischer Schutzwirkung Kohlenstoffstähle, niedrig- und mittellegierte Stähle, hochlegierte Stähle und ausscheidungshärtbare Legierungen mit gegebenenfalls einem Eisenanteil von unter 55 Gew.-% vorgeschlagen und vielfach eine Verbundbauweise und/oder eine Hartschicht an der Außenoberfläche des Schutzteiles als vorteilhaft erkannt.
Die EP-A-180805 offenbart beispielsweise einen Stahlhelm aus einem niedrig legierten Bor-Stahl, wobei der Stahlhelm nach dem Vergüten sandgestrahlt wird.
Aus der EP-A-1052296 ist ein Panzerblech mit Vergütungsgefüge bekannt, welches eine Streckgrenze von > 1100 N/mm2 sowie eine Härte von > 400 HB besitzt und bei einem Kohlenstoffgehalt in Gew.-% von 0,15 bis 0,2 im Wesentlichen 1 bis 2 Gew.-% Chrom (Cr), 0,2 bis 0,7 Gew.-% Molybdän (Mo), 1,0 bis 2,5 Gew.-% Nickel (Ni), 0,05 bis 0,25 Gew.-% Vanadin (V), Rest Eisen (Fe) aufweist.
Ein Verfahren zur Herstellung von dicken Panzerblechen ist aus der EP-A-580062 bekannt geworden, bei welchem obige, im Kohlenstoff- und Nickelgehalt erhöhte Legierung in Brammenform vorerst auf eine Temperatur von über 1150°C erwärmt, verstärkt abkühlen gelassen und im Bereich von 1050 bis 900°C mit jeweils hohem Umformgrad auf die Enddicke gewalzt wird.
In der EP-B-731332 ist eine Stahlpanzerplatte mit verbesserter Eindringfestigkeit gegenüber Projektilen beschrieben, welche eine Vielzahl von Einschlüssen, die im Wesentlichen parallel zur Plattenoberfläche orientiert und in einem Viertel bis zu drei Viertel der Plattendicke konzentriert sind, aufweist.
Ein Panzerblech mit einem Grundwerkstoff aus zähem Stahl, auf welchem durch Plattieren wenigstens eine harte, dem Beschuss zugewendete Stahlauflage bestehend aus 0,6 bis 1,0 Gew.-% Kohlenstoff (C), 0,2 bis 2,0 Gew.-% Silizium (Si), 0,2 bis 2,0 Gew.-% Mangan (Mn), 0,8 bis 2,0 Gew.-% Chrom (Cr), 0,05 bis 1,0 Gew.-% Molybdän (Mo), 0,05 bis 0,35 Gew.-% Vanadin (V), Rest Eisen (Fe) und Stahlbegleiter aufgebracht ist, offenbart die EP-B-247020. Zwischen dem Grundwerkstoff und der Auflage ist dabei eine Zwischenlage aus Reinnickel oder Reineisen mit einer Dicke zwischen 0,1 und 15 % der Gesamtblechdicke angeordnet, welche durch Walzplattieren mit dem Grundwerkstoff und der Auflage verbunden ist. Die Zwischenlage erleichtert nicht nur das Plattieren des Grundwerkstoffes sondern verhindert auch ein Abplatzen des Auflagewerkstoffes, der zwar auf eine Härte von 55 bis 60 HRC vergütbar ist, jedoch dadurch offenbar geringe Zähigkeit aufweist.
Neben obigen niedrig- und mittellegierten Vergütungsstählen wurden auch hochlegierte Chromstahllegierungen (CH-A-648354) und ausscheidungs- bzw. martensitaushärtende Stähle (AT-336659, DE-C-19921961, EP-A-1008659) als Einzelteil oder in Verbundbauweise mit gegebenenfalls einer harten Außenschicht für einen ballistischen Schutz vorgeschlagen. Derartige Stähle mit hohem Legierungsanteil bis 50 % sind zwar als Werkstoff für Komponenten mit hochwirksamem ballistischen Schutz vorteilhaft einsetzbar, haben jedoch den Nachteil hoher Kosten.
Hier will die Erfindung Abhillfe schaffen und setzt sich zum Ziel, Werkstoffe anzugeben, aus welchen Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung bei geringem Gewicht, wirtschaftlich in einfacher Weise herstellbar sind. Diese Erzeugnisse oder Teile sollen eine hohe geschoss- oder flugteilbrechende Wirkung besitzen, aus einer Eisenbasislegierung bestehen, durch eine Wärmebehandlung bzw. thermische Vergütung einstellbare Zähigkeits- und Festigkeitseigenschaften haben, wobei beide Eigenschaftsmerkmale maximiert sind. Werkstofftechnisch sollen eine Verbundfertigung bzw. eine Mehrschichtteilherstellung und eine Oberflächenhärtung möglich und eine Schweißbarkeit gegeben sein.
Dieses Ziel wird erreicht bei einer Verwendung einer Legierung enthaltend in Gew.-%:
Kohlenstoff (C) 0,26 bis 0,79
Silizium ( Si) 0,2 bis 1,2
Mangan (Mn) 0,2 bis 0,9
Chrom (Cr) 1,1 bis 7,94
Molybdän (Mo) 0,56 bis 3,49
Vanadin (V) 0,26 bis 1,74
Eisen (Fe) sowie Begleitelemente und Verunreinigungen als Rest, mit der legierungstechnischen Maßgabe, dass der Wert für den Gehalt an Phosphor (P) plus Schwefel (S) weniger als 0,025 beträgt, P + S < 0,025 Gew.-% die Konzentration von Nickel (Ni) unter 0,28 liegt Ni < 0,28 Gew.-% und die Summe der korngrenzenwirksamen Verunreinigungselemente Arsen (As),
Antimon (Sb), Wismut (Bi), Zinn (Sn), Zink (Zn) und Bor (B) kleiner ist als 0,011 As + Sb + Bi + Sn + Zn + B < 0,011 Gew.-% als Werkstoff für vorgenannten Erzeugnisse.
Die mit der Erfindung gemäß obigem Kennzeichen erzielten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass durch eine Einschränkung des Gehaltes der Verunreinigungselemente Schwefel (S) plus Phosphor (P) in Kombination auf einen Wert von kleiner als 0,025 Gew.-% die Voraussetzung für ein Erreichen hoher Materialzähigkeit geschaffen wird, wenn, wie gefunden wurde, gleichzeitig die weiteren Verunreinigungskomponenten Arsen (As) plus Antimon (Sb) plus Wismut (Bi) plus Zinn (Sn) plus Zink (Zn) plus Bor (B) eine Summenkonzentration aufweisen, die geringer als 0,011 Gew.-% ist. Weil nun Nickel (Ni) überraschend, in Wechselwirkung mit den übrigen Legierungselementen, insbesondere mit Molybdän (Mo) und Vanadin (V), eine Gefahr einer Korngrenzenbelegung erhöht, ist der Nickel-Gehalt auf einen Wert von unter 0,28 Gew.-% nach oben limitiert. Diese erfindungsgemäß erreichten vorteilhaften Werkstoffeigenschaften, die in einem Beschusstest durch einen hohen Anteil an gehaltenen Schüssen markant ausgeprägt sind, werden an Teilen, die auf eine hohe Festigkeit von über 1900 N/mm2 vergütet wurden, besonders deutlich. Dabei hat sich auch gezeigt, dass bei Schwefelgehalten von kleiner als 0,005 Gew.-% eine weitere Verbesserung der gewünschten Werkstoffeigenschaften erreicht wird.
Bei einer Auswahl, bei welcher ein oder mehrere Element(e) die Konzentration(en) in Gew.-% aufweist (aufweisen):
Kohlenstoff (C) 0,36 bis 0,64, vorzugsweise 0,41 bis 0,58
Silizium (Si) 0,36 bis 0,9, vorzugsweise 0,41 bis 0,68
Mangan (Mn) 0,36 bis 0,7, vorzugsweise 0,41 bis 0,59
Chrom (Cr) 1,7 bis 5,95, vorzugsweise 2,61 bis 5,2
Molybdän (Mo) 1,05 bis 2,9, vorzugsweise 1,3 bis 2,7
Vanadin (V) 0,36 bis 1,25, vorzugsweise 0,39 bis 0,83
werden überragende Ergebnisse im Beschusstest erreicht. Dies ist, wie ermittelt wurde, dadurch begründet, dass in enger Abstimmung mit den weiteren Legierungselementen die jeweilige Konzentration des (der) ausgewählten Elementes (Elemente) die Gefügeumwandlungen beim thermischen Vergüten positiv beeinflussen, das heißt, eine Härteannahme ohne Störbereiche an den Korngrenzen begünstigen und beim Anlassen ein weitgehend homogenes Vergütungsgefüge sicherstellen.
Neben einer oben angeführten hohen Reinheit bzw. einem geringen Gehalt an Verunreinigungselementen des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffes wirkt sich, wie erkannt wurde, auch die Technologie der Herstellung auf eine ballistische Schutzwirkung von daraus gefertigten Teilen aus. Die herstellungstechnischen Maßgaben, wie diese im Anspruch 3 angeführt sind, können sich einzeln und in Kombination verbessernd auf den ballistischen Schutz durch derart gefertigte Teile auswirken, weil dadurch insbesondere die Isotropie des Materials gefördert wird. Eine Vergütung kann dabei zu höheren Festigkeitswerten bei verbesserter Materialzähigkeit erfolgen, wodurch das Erzeugnis einen wesentlich erhöhten Widerstand gegen Durchschlag von Projektilen erfährt.
Wenn der Werkstoff mit der vergütungstechnischen Maßgabe, dass dieser eine Festigkeit von größer als 1800 N/mm, vorzugsweise von größer als 2000 N/mm2, insbesondere von über 2100 N/mm2, bei einer Zähigkeit bei Raumtemperatur von größer als SEP 150 J, vorzugsweise von größer als 185 J, insbesondere von über 245 J, gemessen nach (Stahl Eisen Prüfblatt) SEP 1314, besitzt, sind bei geringen Legierungskosten der Erzeugnisse höchste Durchschlagwiderstände bzw. dergleichen Festigkeit derselben erreichbar.
Anhand von Beispielen und von Fig. 1 soll die Erfindung gemäß Ansprüche 1 bis 4 näher erklärt werden, wobei Fig. 1 die Prozentzahl der gehaltenen Schüsse in Abhängigkeit von der Blechdicke wiedergibt.
Beispiel 1:
Ein erfindungsgemäßes Blech aus einem ESU-Block mit einer Blechdicke von 6,6 mm und einer Zusammensetzung in Gew.-% von 0,49 Kohlenstoff (C), 0,59 Silizium (Si), 0,3 Mangan (Mn), 0,004 Schwefel (S), 0,019 Phosphor (P), 3,23 Chrom (Cr), 1,37 Molybdän (Mo), 0,29 Vanadin (V) sowie 0,19 Nickel (Ni), Rest Eisen (Fe) und Begleitelemente (Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), Zinn (Sn), Zink (Zn), Bor (B)) mit einer Summenkonzentration von 0,008 wurde auf eine Härte von 56 + 1 HRC vergütet und einem Beschusstest mit 100 Schuss unterworfen, von welchen 93 Schuss gehalten wurden. Unter den gleichen Beschussbedingungen erfolgte eine Erprobung eines Bleches aus vergütetem Kohlenstoffstahl, welches Blech 57 Schuss hielt.
Beispiel 2:
Ein Blech aus Cr-Mo-V-Stahl, welcher pfannenmetallurgisch behandelt und vakuumentgast war, mit einer Zusammensetzung in Gew.-% von 0,45 Kohlenstoff (C), 0,62 Silizium (Si), 0,64 Mangan (Mn), 0,016 Phosphor (P), 0,007 Schwefel (S), 3,35 Chrom (Cr), 1,62 Molybdän (Mo), 0,32 Vanadin (V) wurde aus einem Brammenblock auf eine Dicke von 7,5 mm gewalzt. Aus dem Bleche wurden Proben gefertigt, selbige mit unterschiedlichen Technologien vergütet und erprobt. Aus der Tabelle 1 sind die Vergütungsparameter und die erzielten mechanischen Werte ersichtlich.
Probe Nr. Härtetemp. °C Antasser °C Anzahl Rm Rp0,2 A Kertischlag Härte
N/mm2 N/mm2 % J MW HRC
A 930 300 1 1941 1441 6,2 167 180 166 171 55
B 930 300 1 1872 1471 7,6 64 209 160 151 53
C 950 300 1 1975 1576 5,6 61 201 171 144 55
Aus den Ergebnissen ist augenscheinlich die Wirkung unterschiedlicher Vergütungsparameter auf die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes ersichtlich, was deutlich auf eine erfindungsgemäß leichte Einstellung von gewünschten Erzeugnisdaten hinweist.
Im Vergleich mit vergütetem Kohlenstoffstahl gleicher Dicke wurden im Beschusstest vom erfindungsgemäßen Blech um ca. 60% mehr Schüsse gehalten.
In einer weiteren Erprobung erfolgte ein Vergleich von erfindungsgemäßen Blechen mit solchen aus Kohlenstoffstahl und martensitaushärtendem Stahl hinsichtlich gehaltener Schüsse. Die angegebenen bzw. in Fig. 1 eingezeichneten Werte stellen jeweils Mittelwerte von Ergebnissen aus mindestens jeweils drei Schüssen dar.
In Fig. 1 ist der Prozentsatz von gehaltenen Schüssen in Abhängigkeit von der Blechdicke gezeigt. Ab einer Blechdicke von 6 mm aufwärts ist bei gleichen energetischen Bedingungen des Beschusses der Anteil an gehaltenen Schüssen aus einem erfindungsgemäßen und einem aus einem martensitaushärtenden Stahl gefertigten Blech praktisch gleich. Die Wirtschaftlichkeit betreffend ist festzustellen, dass der erfindungsgemäße Werkstoff einen Legierungsanteil von ca. 6 % hat, jener des martensitaushärtenden Stahles (Vergleichswerkstoff) 41,5 % besitzt und somit wesentlich höhere Kosten aufweist.
Das genannte Ziel wird auch erreicht bei einer Verwendung einer Legierung enthaltend in Gew.-%:
Kohlenstoff (C) 0,3 bis 0,6
Silizium ( Si) 0,08 bis 0,59
Mangan (Mn) 0,1 bis 0,6
Chrom (Cr) 0,9 bis 1,5
Nickel (Ni) 2,4 bis 5,5
Eisen (Fe) sowie Begleitelemente und Verunreinigungen als Rest, mit der legierungstechnischen Maßgabe, dass der Wert für den Gehalt an Phosphor (P) plus Schwefel (S) weniger als 0,025 beträgt, P + S < 0,025 Gew.-% die Konzentration von Molybdän (Mo) unter 0,34 und jene von Wolfram (W) unter 0,29 liegen, wobei der Summenwert von Molybdän (Mo) plus Wolfram (W) gebrochen durch zwei 0,38 nicht übersteigt. Mo < 0,28 Gew.-% W < 0,29 Gew.-% Mo + W2 < 0,38 Gew.-% und die Summe der korngrenzenwirksamen Verunreinigungselemente Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), Zinn (Sn), Zink (Zn) und Bor (B) kleiner ist als 0,011 As + Sb + Bi + Sn + Zn + B < 0,011 Gew.-% als Werkstoff für eingangs genannte Erzeugnisse .
Die gemäß der Erfindung mit den unmittelbar vorgenannten Kennzeichen erzielten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass einerseits durch die Wahl der Legierungselemente und deren jeweilige Konzentration eine mittels einer thermischen Vergütung erstellte gewünscht hohe Materialfestigkeit erreichbar ist. Eine hohe Zähigkeit des Werkstoffes andererseits kann, wie gefunden wurde, dabei mittels dreier weiterer legierungstechnischer Maßnahmen erzielt werden. Durch eine Begrenzung des Summengehaltes von Schwefel (S) und Phosphor (Ph) nach oben, welche Elemente bezüglich einer Einschlussbildung und Versprödung, verursacht durch Korngrenzenbelegungen, in Wechselwirkung stehen können, wird zumindest die Voraussetzung hoher Zähigkeit des Werkstoffes geschaffen. Die Elemente Molybdän (Mo) und Wolfram (W) einzeln und in Kombination, welche an sich festigkeitssteigernd in Legierungen wirksam sein können, besitzen jedoch die Tendenz einer versprödenden Korngrenzenanreicherung im Material, so dass eine oben angeführte Limitierung des Gehaltes sich zähigkeitsfördernd auswirkt. Es wurde weiters gefunden, dass die Verunreinigungselemente Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), Zinn (Sn), Zink (Zn) und Bor (B) schon in geringen Konzentrationen einen Steilabfall der Materialzähigkeit verursachen, wenn es zu schlagartig wirksamen hohen mechanischen Belastungen des Werkstoffes, wie beispielsweise bei einem Beschuss eines daraus gefertigten Teiles kommt, woraus die erfindungsgemäße Festlegung des höchsten Summengehaltes resultiert. Wie auch eingangs erwähnt, können sich die mit Werkstoffuntersuchungen ermittelten mechanischen Materialeigenschaften bei energiereicher Waffeneinwirkung wesentlich ändern, so dass streng genommen, nur durch einen Beschusstest ein Eindringwiderstand von Geschossen oder Splittern sowie ein Rissbildungsverhalten von Schutzteilen bewertet werden kann. Erfindungsgemäß hat die in den Ansprüchen gekennzeichnete Legierung als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung nicht nur der diesbezüglich verbesserten Eigenschaften wegen, sondern auch aus wirtschaftlichen Gründen besondere Vorteile, weil der Anteil an Legierungselementen im Stahl unter 8,8 Gew.-% liegt, eine verzugsarme thermische Vergütung durchführbar ist und eine ausreichende Schweißbarkeit des Materials für eine Komponentenfertigung, beispielsweise für eine Limousinenpanzerung, vorliegt.
Bei einer Weiterentwicklung der Legierung, wobei ein oder mehrere Element(e) derselben die Konzentration(en) in Gew.-% aufweist (aufweisen):
Kohlenstoff (C) 0,3 bis 0,54, vorzugsweise 0,41 bis 0,49
Silizium (Si) 0,11 bis 0,39
Mangan (Mn) 0,18 bis 0,49, vorzugsweise 0,25 bis 0,38
Chrom (Cr) 1,15 bis 1,4
Nickel (Ni) 2,9 bis 4,9, vorzugsweise 2,56 bis 3,9
zur Verwendung als Werkstoff für die vorgenannten Erzeugnisse können von diesen verbesserte Eigenschaften im Beschusstest erreicht werden. An dieser Stelle ist auch anzumerken, dass eine weitere Steigerung des Eigenschaftsnivaus durch ein Senken des Schwefelgehaltes auf unter 0,005 Gew.-% erzielt wird.
Die erfindungsgemäß erreichten vorteilhaften Werkstoffeigenschaften sind zunehmend bei einem Beschuss markant ausgeprägt, wenn die Teile auf höhere Festigkeitswerte von über 1900 N/mm2vergütet sind. Dies ist auch dadurch begründet, dass ein engerer Bereich der Konzentration eines jeweiligen Legierungselementes in Wechselwirkung mit den übrigen Bestandteilen der Legierung die Umwandlung und die Ausbildung des Gefüges des Werkstoffes bei der thermischen Vergütung günstig beeinflusst, wobei die Härteannahme und das Anlassverhalten verbessert werden und derart eine weitgehende Isotropie mit niedrigen Eigenspannungen entsteht.
Die herstellungstechnischen Maßgaben den Werkstoff betreffend, wie diese im Anspruch 7 angeführt sind, wirken sich einzeln und in Kombination verbessernd auf den ballistischen Schutz durch daraus gefertigte Teile aus, weil durch diese Maßgaben die Isotropie des Materials, auch die Mikroseigerungen betreffend, gefördert wird. Derart kann auch bei einer Vergütung zu höheren Festigkeiten des Werkstoffes eine Steigerung der Materialzähigkeit in alle Richtungen erfolgen und der Widerstand gegen Durchschlag von Projektilen angehoben werden.
Wenn der Werkstoff mit der vergütungstechnischen Maßgabe, dass dieser eine Festigkeit von größer als 1800 N/mm2, vorzugsweise von größer als 2000 N/mm2, insbesondere von über 2100 N/mm2, bei einer Zähigkeit bei Raumtemperatur von größer als SEP 150 J, vorzugweise von größer als 185 J, insbesondere von über 245 J, gemessen nach (Stahl Eisen Prüfblatt) SEP 1314 besitzt, sind daraus Erzeugnisse bzw. Schutzkomponenten mit höchstem Durchschlagwiderstand erstellbar.
Anhand von Beispielen und mittels Fig. 2 soll die Erfindung gemäß den Ansprüchen 5 bis 8 ebenfalls näher erklärt werden, wobei Fig. 2 wiederum die Prozentzahl von gehaltenen Schüssen in Abhängigkeit von der Blechmaterialdicke zeigt.
Beispiel 3:
Aus einem Brammenblock aus einem vakuumbehandelten Stahl mit einer Zusammensetzung von in Gew.-% 0,5 Kohlenstoff (C), 0,32 Silizium (Si), 0,45 Mangan (Mn), 0,017 Phoshor (P), 0,006 Schwefel (S), 1,25 Chrom (Cr), 0,18 Molybdän (Mo), 0,21 Wolfram (W), 3,97 Nickel (Ni) sowie mit einer Summe aus Arsen (As) plus Antimon (Sb) plus Wismut (Bi) plus Zinn (Sn) plus Bor (B) = 0,0085 wurde ein Blech mit einer Dicke von 6,8 mm gewalzt, welches Walzgut nach Anwendung unterschiedlicher Vergütetechnologien mechanisch erprobt wurde. Die Ergebnisse der Erprobungen sind in Tab. 2 zusammengestellt.
Probe Nr. Härtetemp. Anlsesen Anzahl Rm Rp0,2 A Korbethlag Härte
°C °C N/mm2 N/mm2 % J MW HRC
AA 840 120 1 2229 1207 6.1 225 245 226 232 55.5
BB 870 120 1 2227 1133 8.6 220 245 216 227 56
CC 840 120 1 2282 1306 5,5 95 233 173 167 57
Beim Beschusstest wurde gefunden, dass das Blech mit der Probenbezeichnung AA ein Schusshaltevermögen von 95 aufwies, hingegen ein gleich dickes vergütetes Blech aus Kohlenstoffstahl nur 56 von 100 Schussbeaufschlagungen standhielt.
Beispiel 4:
Ein Blech, welches aus pfannenmetallurgisch behandeltem Stahl mit einer Zusammensetzung in Gew.-% von 0,52 Kohlenstoff (C), 0,12 Silizium (Si), 0,22 Mangan (Mn), 0,014 Phosphor (P), 0,003 Schwefel (S), 1,42 Chrom (Cr), 0,11 Molybdän (Mo), 0,09 Wolfram (W), 0,004 (As + Sb + Bi + Sn + Zn + B), der anschließend elektroschlackeumgeschmolzen wurde, mit einer Dicke von 7,5 mm gefertigt und auf eine Härte von 57 HRC vergütet worden war, erbrachte bei einer Härtetemperatur von 880°C und Luftabkühlung nach einem Anlassen bei 200°C eine Streckgrenze des Materiales von Rm = 2265 N/mm2 bei einer Kerbschlagarbeit von im Mittel 202 J. Beim Beschusstest im Vergleich mit vergütetem Kohlenstoffstahl bei sonst gleichen Bedingungen wurde eine um 68,7 % höhere Anzahl von gehaltenen Schüssen registriert.
In einer der weiteren Erprobungen erfolgte ein Vergleich von erfindungsgemäßen Blechen und solchen aus jeweils auf höchste Werte vergütetem Kohlenstoffstahl und martensitaushärtendem Stahl mittels Beschusstestes. In Fig. 2 ist der Prozentsatz an gehaltenen Schüssen in Abhängigkeit von der Bleckdicke dargestellt. Ab einer Blechdicke von 5 mm bis zu einer solchen von 10 mm sind anteilsmäßig die von martensitaushärtbarem Stahl und die vom erfindungsgemäßem Stahl gehaltenen Schüsse im Wesentlichen gleich mit geringen Vorteilen des erfindungsgemäßen Werkstoffes im Bereich über einer Blechdicke von 6 mm.
Als kennzeichnend stellt sich also dar, dass die Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkstoffes einerseits gegenüber einem solchen aus Kohlenstoffstahl bei gleichen Erzeugnisformen und Beanspruchungskriterien eine deutlich höhere ballistische Schutzwirkung besitzt und andererseits gegenüber einem martensitaushärtbaren Stahl einen wesentlich geringeren Anteil an Legierungselementen aufweist und dadurch in der Erstellung wirtschaftliche Vorteile hat.

Claims (8)

  1. Verwendung einer per se bekannten Legierung als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung enthaltend in Gew.-%: Kohlenstoff (C) 0,26 bis 0,79 Silizium (Si) 0,2 bis 1,2 Mangan (Mn) 0,2 bis 0,9 Chrom (Cr) 1,1 bis 7,94 Molybdän (Mo) 0,56 bis 3,49 Vanadin (V) 0,26 bis 1,74
    Eisen (Fe) sowie Begleitelemente und Verunreinigungen als Rest, mit der legierungstechnischen Maßgabe, dass der Wert für den Gehalt an Phosphor (P) plus Schwefel (S) weniger als 0,025 beträgt, P + S < 0,025 Gew.-% die Konzentration von Nickel (Ni) unter 0,28 liegt Ni < 0,28 Gew.-% und die Summe der korngrenzenwirksamen Verunreinigungselemente Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), Zinn (Sn), Zink (Zn) und Bor (B) kleiner ist als 0,011. As + Sb + Bi + Sn + Zn + B < 0,011 Gew.-%
  2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, wobei ein oder mehrere Element(e) derselben in Konzentration(en) in Gew.-% aufweist (aufweisen): Kohlenstoff (C) 0,36 bis 0,64, vorzugsweise 0,41 bis 0,58 Silizium (Si) 0,36 bis 0,9, vorzugsweise 0,41 bis 0,68 Mangan (Mn) 0,36 bis 0,7, vorzugsweise 0,41 bis 0,59 Chrom (Cr) 1,7 bis 5,95, vorzugsweise 2,61 bis 5,2 Molybdän (Mo) 1,05 bis 2,9, vorzugsweise 1,3 bis 2,7 Vanadin (V) 0,36 bis 1,25, vorzugsweise 0,39 bis 0,83
  3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2 als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistische Schutzwirkung mit der herstellungstechnischen Maßgabe, dass dieser pfannenmetallurgisch und/oder vakuumbehandelt und/oder vakuumer- oder umgeschmolzen und/oder, gegebenenfalls unter Druck, elektroschlackeumgeschmolzen und/oder pulvermetallurgisch hergestellt ist.
  4. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 bis 3 als Werkstoff mit hoher ballistischer Schutzwirkung mit der vergütungstechnischen Maßgabe, dass dieser eine Festigkeit von größer als 1800 N/mm2, vorzugsweise größer als 2000 N/mm2, insbesondere über 2100 N/mm2, bei einer Zähigkeit bei Raumtemperatur von größer als SEP 150 J, vorzugsweise von größer als 185 J, insbesondere über 245 J, gemessen nach SEP 1314 (Stahl Eisen Prüfblatt) besitzt.
  5. Verwendung einer per se bekannten Legierung als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung enthaltend in Gew.-% : Kohlenstoff (C) 0,3 bis 0,6 Silizium (Si) 0,08 bis 0,59 Mangan (Mn) 0,1 bis 0,6 Chrom (Cr) 0,9 bis 1,5 Nickel (Ni) 2,4 bis 5,5
    Eisen (Fe) sowie Begleitelemente und Verunreinigungen als Rest, mit der legierungstechnischen Maßgabe, dass der Wert für den Gehalt an Phosphor (P) plus Schwefel (S) weniger als 0,025 beträgt P + S < 0,025 Gew.-% die Konzentration von Molybdän (Mo) unter 0,34 und jene von Wolfram (W) unter 0,29 liegen, wobei der Summenwert von Molybdän (Mo) plus Wolfram (W) gebrochen duch zwei 0,38 nicht übersteigt Mo < 0,28 Gew.-% W < 0,29'Gew.-% Mo + W2 < 0,38 Gew.-% und die Summe der korngrenzenwirksamen Verunreinigungselemente Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), Zinn (Sn), Zink (Zn) und Bor (B) kleiner ist als 0,011 As + Sb + Bi + Sn + Zn + B < 0,011 Gew.-%
  6. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 5, wobei ein oder mehrere Element(e) derselben die Konzentration(en) in Gew.-% aufweist (aufweisen): Kohlenstoff (C) 0,36 bis 0,54, vorzugsweise 0,41 bis 0,49 Silizium (Si) 0,11 bis 0,39 Mangan (Mn) 0,18 bis 0,49, vorzugsweise 0,25 bis 0,38 Chrom (Cr) 1,15 bis 1,4 Nickel (Ni) 2,9 bis 4,9, vorzugsweise 2,56 bis 3,9
  7. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 5 oder 6 als Werkstoff für Erzeugnisse mit hoher ballistischer Schutzwirkung mit der herstellungstechnischen Maßgabe, dass die Legierung pfannenmetallurgisch und/oder vakuumbehandelt und/oder vakuumer- oder umgeschmolzen, gegebenenfalls unter Druck, elektroschlackeumgeschmolzen oder pulvermetallurgisch hergestellt ist.
  8. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 5 bis 7 als Werkstoff mit hoher ballistischer Schutzwirkung mit der vergütungstechnischen Maßgabe, dass dieser eine Festigkeit von größer als 1800, vorzugsweise größer als 2000, insbesondere über 2100, N/mm2 bei einer Zähigkeit bei Raumtemperatur SEP 150 J, vorzugsweise größer als 185 J, insbesondere über 245 J, gemessen nach SEP 1314 (Stahl Eisen Prüfblatt) besitzt.
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